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L'EREDITARIETA’2

Lezione 11

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il fenotipo puo’ comparire in eta’ avanzata

il fenotipo non e’ congenito pur essendo ereditario CONGENITO : presente alla nascita

dal punto di vista genetico raramente questi fenotipi sono dovuti a nuove mutazioni

a livello di popolazione l’allele mutato puo’ essere frequente purche’ l’ insorgenza si verifichi dopo l’inizio dell’eta’ riproduttiva e non limiti la fitness

FITNESS: IDONEITA’ BIOLOGICA,piu’ semplicemente : numero di figli

Ancora complicazioni: Insorgenza tardiva

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Insorgenza tardiva

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alcuni fenotipi a trasmissione autosomica dominante diventano piu’ gravi nelle generazioni successive perche? espansione di triplette: tipo di mutazione

individuata nel 1990

premutazione : stato che aumenta il rischio di trasmettereil fenotipo patologico. Il rischio non e’ piu’ quantizzabile in termini probabilistici

Anticipazione

Corea di Hunghinton, X fragile, Distrofia Miotonica

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Schema di mutazioni dinamiche

5’UTR esone introne esone introne esone3’UTR

Normale

Premutazione

Mutazione completa,range di mutazione

Esone ORF

Normale

Premutazione

Mutazione completa,range di mutazione

CGGCGGCGG

526

CGGCGGCGGCGG

20060

CGGCGGCGGCGGCGG

1000

280

GAAGAAGAAGAA

22

GAAGAAGAAGAAGAA

GAAGAAGAA 7

900

200

CTGCTGCTGCTG

CTGCTGCTGCTGCTG

CTGCTGCTG

50

373

3000

X-fragile Atassia diFriedrich

Distrofiamiotonica

CAGCAGCAG

10

CAG

35

CAGCAGCAGCAGCAG

121

36

CGGCGGCGG

7

CGG

25

CGGCGGCGG

75

49

Corea di Huntington Atassia spinocerebellare 1

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Mutazioni dinamiche – effetto fondatore

Dal momento che le ripetizioni del range di normalità NON aumentano di numero dopo replicazione, da dove sono nati gli alleli instabili?

EFFETTO FONDATORE: Eccezionalmente, in uno o pochi individui, si sono verificati degli errori nella trascrizione, producendo degli alleli con un numero di ripetizioni aumentato, che sono stati ereditati nelle successive generazioni, producendo un pool di alleli instabili presenti oggi nella popolazione

Per molte delle mutazioni dinamiche l’effetto fondatore è stato dimostrato

Questo effetto fondatore si riconosce anche nell’assenza o maggior frequenza di alcune di queste patologie in certe aree geografiche

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Mutazioni dinamiche meccanismo dell’instabilità

Perché oltre una certa lunghezza compare il fenomeno dell’instabilità?

La presenza di un aumentato numero di ripetizioni provoca, nel DNA, la formazione di strutture alternative, assenti quando il numero di ripetizioni è nel range di normalità

Queste strutture causano problemi sia nei processi di trascrizione (slippage della polimerasi), sia probabilmente nei meccanismi di riparazione del DNA

La conseguenza ultima è la tendenza all’incremento numerico delle ripetizioni dopo replicazione (sia mitotica che meiotica!)

Per lo stesso principio, sono possibili anche le contrazioni di ripetizioni, ma per la maggior parte delle patologie le espansioni sono favorite

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Mutazioni dinamiche strutture alternative del DNA

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Mutazioni dinamiche espansioni e contrazioni

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Mutazioni dinamiche principi generali delle mutazioni dinamiche

INSTABILITÀ MITOTICA: determina la presenza di espansioni di grandezze differenti all’interno dello stesso tessuto e tra tessuti differenti. Produce dunque un mosaicismo tissutale

INSTABILITÀ MEIOTICA: determina la trasmissione alle generazioni successive di una espansione di diversa ampiezza. E’ alla base del meccanismo dell’anticipazione

TRASMISSIONE PATERNA O MATERNA: in alcune patologie, si possono avere espansioni o contrazioni del numero di ripetizioni a seconda che l’allele mutato sia trasmesso dal padre o dalla madre

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Mutazioni dinamicheLocalizzazione delle espansioni

Esistono differenti meccanismi molecolari alla base delle diverse patologie

Perché un aumento nel numero di sequenze ripetute causa una patologia?

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Mutazioni dinamiche Classificazione molecolare

Espansioni in porzioni codificanti (esoniche) del gene:

• Poliglutamine (Corea di Huntington, malattia di Kennedy, SCAs)

• Polialanine (Oloprosencefalia, sinpolidattilia, hand-foot-genital syndrome)

Espansioni in porzioni non codificanti del gene:

• Promotore (Epilessia progressiva mioclonica)• 5’-UTR (Sindrome dell’X-fragile, SCA12)• Introne (Atassia di Friedrich, Distrofia miotonica di

tipo 2)• 3’-UTR (Distrofia miotonica di tipo 1, SCA8)

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Mutazioni dinamiche Sindrome dell’X fragile

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Sherman paradox:solo l’80% dei maschi che ricevono l’allele sono affetti

Le figlie di portatori dell’X-fragile sono più a rischio di avere figli con ritardo mentale rispetto alle proprie nonne (effetto di posizione nell’albero genealogico)La malattia non appare però completamente come dominante o recessiva, esistendo maschi sani con il sito fragile e femmine affette con un unico sito fragile

...... the first mutation caused a “premutation” state that produced no clinical symptoms, and that a second mutation was required to convert the premutation to a “full mutation” form that was associated with the characteristic symptomsDi qui l’ipotesi che qualcosa nel gene sia cambiato durante le

generazioni. La mutazione è dinamica

Paradosso di Sherman 1985

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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile

Come si spiega il paradosso di Sherman?La sindrome dell’X-fragile è stata la prima patologia da espansione di triplette riconosciuta (1991).Il gene responsabile è FMR1 che mappa sul cromosoma Xq27.3La tripletta responsabile è CGG, situata nella porzione 5’-UTRL’espansione di questa tripletta è causa del 99% dei casi di FRAXAValori normali: < 44 repeatsGray zone: 45-54 repeatsPremutazione : 55-200 repeatsMutazione: > 200 repeats

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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile

Soluzione del paradosso di Sherman:Nel passaggio da una generazione all’altra, soprattutto per trasmissione materna, il numero di triplette tende ad aumentare > normalmente, i maschi figli di portatrici avranno un numero di triplette più elevato rispetto alle madriOltre le 200 ripetizioni: affettiInferiore a 200 ripetizioni : clinicamente sani

Se l’aumento resta nell’ambito della premutazione, i maschi che ricevono l’allele premutato lo trasmetteranno mediamente invariato alle figlieLe loro figlie avranno quindi un numero maggiore di ripetizioni rispetto alle nonne >aumentato rischio di salto oltre le 200 ripetizioni = aumentato rischio di figli con ritardo mentale rispetto alle nonne (effetto di posizione nell’albero genealogico)Oggi possiamo quantificare meglio il rischio di avere un figlio con ritardo mentale:Triplette inferiori a 55: rischio pari a 0Triplette superiori a 100: rischio pari al 100%Valori intermedi: il rischio cresce esponenzialmente

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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile perche’

Come nella distrofia miotonica, l’espansione è localizzata in una porzione del gene non tradotta Diversamente da questa e’ una patologia da silenziamento genico

Il gene e’ composto di 17 esoni ed e’ lungo 38 Kb.All’interno del primo esone al 5’UTR e’ presente una serie di CGG.Nella popolazione questa regione e’ polimorfica: varia da 7 a 52 ripetizioni: l’allele piu’ comune e’ quello di 30 (effetto fondatore).Quando il numero delle triplette supera 230 l’intera regione viene ipermetilata aggiungendo un gruppometilico a C su entrambe le eliche

il promotore del gene viene inattivato e FRM1 diviene silentee la cromatina non riesce a condensare correttamente

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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile riassumendo

La tripletta CGG si trova vicina al promotore del gene FMR1 in una zona ricca di CpG islands

Un’espansione oltre i 200 repeats causa il richiamo di specifiche proteine che metilano le citosine del promotore del gene FMR1> MODIFICA EPIGENETICA

La proteina FMRP è importante nello sviluppo neuronale e dei dendriti. Se il gene è silenziato > APLOINSUFFICIENZA

Nei maschi, non si avrà alcun prodotto proteico (emizigoti) > affetti

Nelle femmine, il prodotto presente dipende da quale cromosoma X è inattivato > affette se è maggiormente inattivo il cromosoma X normale, altrimenti sane (mosaicismo di metilazione)

Ecco perché la frequenza delle femmine affette è minore

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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell’X fragile riassumendo

Ridefininizione di mutazione patologica: è definita come full mutation, corrisponde all’allele con oltre 200 triplette metilate

Casi particolari (rari):

Mosaicismo di lunghezza (normale/premutato; premutato/full mutato; normale/mutato) > fenotipo variabile

Mosaicismo di metilazione (alleli con > 200 triplette metilati e non metilati) >fenotipo variabile

1% dei pazienti non presenta espansione di triplette : mutazioni puntiformi, delezione del gene

Perché i maschi affetti non hanno figlie affette?I maschi con full mutation hanno solo premutazioni negli spermatozoi per la selezione degli spermatozoi durante lo sviluppo embrionaleDi conseguenza, le figlie di maschi affetti saranno solo premutate e mai full mutate

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Mutazioni dinamiche – FMR1 related disorders

FMR1-related disorders Il 20% delle donne con premutazione presenta Premature Ovarian Failure (POF, esaurimento follicolare precoce)Circa il 20% degli uomini con premutazione presenta Fragile X ataxia/Tremor Syndrome (FXTAS), mentre è rarissima tra le donne

Il gene FMR1 presenta quindi ETEROGENEITÀ ALLELICA

NON sono patologie da aploinsufficienza : sono probabilmente patologie RNA-mediate:Gli alleli premutati non solo non sono silenziati, ma presentano anche un’aumentata trascrizione, per compensare il difetto di traduzione degli alleli espansi accumulo di RNA

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Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – meccanismi 1

Meccanismo patogenetico principale: tossicità da poliglutamine

L’eccesso di glutamine nella sequenza aminoacidica impedisce il giusto ripiegamento (folding) della proteina stessa

La proteina viene degradata ma i frammenti con le poliglutamine si aggregano

Si formano accumuli all’interno dei nuclei dei neuroni con guadagno di funzione ed effetto citotossico apoptosi e degenerazione neuronale

Accanto a questo, ci sono altri meccanismi che contribuiscono a determinare il fenotipo (danno mitocondriale, alterazione della trascrizione di altri geni, alterazione del trasporto assonale)

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Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – meccanismi 2

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 – classificazione molecolare

Gene responsabile: l’espansione riguarda la tripletta da CTG e si trova nella regione 3’UTR del gene DMPK che mappa sul cromosoma 19q13.3

Classificazione molecolare:•5-36 repeats: alleli normali•50-150 repeats: classe E1•150-1000 repeats: classe E2•1000 - >4000 repeats: classe E3

La forma congenita si manifesta in genere per espansioni di classe E3, trasmesse per via materna.

Le espansioni trasmesse dal padre tendono ad essere più stabili (presenza sia di espansioni, sia assenza di variazione, sia rare contrazioni )

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 - pedigree

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2 Miopatia miotonica prossimale (PROMM), simile

e spesso indistinguibile a livello clinico dalla DM1

La sua frequenza non è chiara (1/50.000 circa)

Le differenze maggiori con la DM1 riguardano• Presenza di una clinica globalmente più lieve• Possibile presenza di crampi e algie, mai

presenti nella DM1• Colpisce prima i muscoli prossimali• Non è mai presente una forma congenita con

ritardo mentale

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2

La patologia è determinata da un’espansione di un tetranucleotide CCTG, presente nel primo introne del gene ZNF9, che mappa in posizione 3q21.3

Alleli normali: 11-26 repeatsAlleli mutati: 75-11.000 repeats (media: 5.000 repeats)

Nonostante il grandissimo numero di ripetizioni, non è possibile effettuare una correlazione genotipo-fenotipo

La penetranza è completa e l’espressività è variabile

DM1 e DM2 sono un esempio di ETEROGENEITÀ GENETICA, cioè mutazioni in geni differenti possono produrre lo stesso fenotipo

Entrambe le patologie sono dotate di grandissimo mosaicismo somatico

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica – Patologia ad RNA

Perché una mutazione in una regione

non codificante

provoca una patologia?

Patologia dell’RNA

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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica – Patogenesi

Il gene DMPK è trascritto in mRNA che deve essere traslocato dal nucleo al citoplasma per essere processato

Se è presente l’espansione, questa sarà trascritta in RNA (CUG). In seguito allo splicing dell’mRNA, il messaggero contenente la ripetizione CUG forma degli aggregati resistenti alla distruzione che rimangono intrappolati nel nucleo

Questi aggregati interferiscono con altre proteine nucleari >guadagno di funzione

In particolare, gli aggregati (“foci”) di RNA sequestrano una classe di proteine (MBNL1) e “spiazzano” una seconda famiglia di proteine (CELF). Questi due tipi di proteine sono necessari per un corretto assemblaggio dello spliceosoma

L’effetto finale è l’alterazione dello splicing di altri geni, con conseguente alterazione funzionale di diversi pathways (effetto in trans)

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Eredità digenica

La malattia è dovuta all’effetto additivo di mutazioni ETEROZIGOTI in loci diversiForma di retinite pigmentosa che si manifesta in individui DOPPI ETEROZIGOTI per i geni ROM1 e per la periferina (RDS) che codificano per i fotorecettori. Le mutazioni in eterozigosi separatamente non causano alcun fenotipo patologico

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Eredità digenica pedigree

ROM1+/-RDS+/-

AFFETTO

NON AFFETTOROM1+/+RDS+/+

ROM1+/-RDS+/-

ROM1+/+RDS+/+

ROM1+/-RDS+/+

ROM1+/+RDS+/-

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Eredità triallelicaSindrome di Bardet –Biedl (BBS): sindrome dismorfica caratterizzata da obesità, polidattilia, patologia renale, deficit cognitivoCarattere autosomico recessivo, ma la condizione che si riscontra è quella di due mutazioni in un locus ed eterozigote in un altro locus associato

BBS2 BBS4 BBS6

AFFETTI NON AFFETTI

XMutazione

XX X

X XX

X XX

XX X

XX X

X XX

X

XX

X X

XX

X X

XX………………

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Eredità triallelica pedigree

AFFETTO NON AFFETTO

BBS6 wt/A242SBSS2 wt/wt

BBS6 wt/wtBSS2 wt/Y24X

BBS6 wt/A242SBSS2 Y24X/Y24X

BBS6 wt/A242SBSS2 wt/Y24X

BBS6 wt/wtBSS2 wt/wt

BBS6 wt/147XBSS2 wt/Q59X

BBS6 wt/147XBSS2 Y24X/Q59X

BBS6 wt/wtBSS2 wt/Y24X

BBS6 wt/wtBSS2 Y24X/Q59X

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MECCANISMO BI/TRIALLELICA

A B

Bx

legame meno stabile

x comparsa delfenotipo

assenza del fenotipo

A B

C

xA

A

xA

B

Bx

A B

D

A BC

D x

B

A

B x

C

DD A

B x

C

Dx

Funzione

x